Die meting van u hartklop is by u vingertop: fotoplethysmografie -benadering tot die bepaling van hartklop: 7 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

'N Fotoplethysmograaf (PPG) is 'n eenvoudige en goedkoop optiese tegniek wat gereeld gebruik word om veranderinge in bloedvolume in 'n mikrovaskulêre weefselbed op te spoor. Dit word meestal nie-indringend gebruik om metings aan die oppervlak van die vel te doen, gewoonlik 'n vinger. Die golfvorm van die PPG het 'n pulserende (AC) fisiologiese golfvorm as gevolg van kardiale sinchrone veranderinge in die bloedvolume met elke hartklop. Die AC -golf word dan op 'n stadig veranderende (GS) basislyn gesuperponeer met verskillende laer frekwensie komponente wat as gevolg van asemhaling, simpatiese senuweestelsel aktiwiteit en termoregulering is. 'N PPG -sein kan gebruik word om suurstofversadiging, bloeddruk en hartuitset te meet, om die hartuitset te kontroleer en moontlik perifere vaskulêre siektes op te spoor [1].

Die toestel wat ons skep, is 'n vingerfotoplethysmograaf vir die hart. Dit is ontwerp vir die gebruiker om sy vinger in 'n manchet oor 'n LED en fototransistor te plaas. Die toestel knip dan vir elke hartklop (op die Arduino) en bereken die hartklop en stuur dit na die skerm. Dit sal ook wys hoe die respiratoriese sein lyk, sodat die pasiënt dit moontlik kan vergelyk met hul vorige data.

'N PPG kan die volumetriese verandering in bloedvolume meet deur die ligoordrag of weerkaatsing te meet. Elke keer as die hart pomp, neem die bloeddruk in die linker ventrikel toe. Die hoë druk veroorsaak dat die are effens bult met elke maatslag. Die toename in druk veroorsaak 'n meetbare verskil in die hoeveelheid lig wat terug gereflekteer word en die amplitude van die ligsein is direk eweredig aan die polsdruk [2].

'N Soortgelyke toestel is die Apple Watch PPG -sensor. Dit ontleed polsslagdata en gebruik dit om moontlike episodes van onreëlmatige hartritmes op te spoor wat ooreenstem met AFib. Dit gebruik groen LED-ligte saam met liggevoelige fotodiodes om relatiewe veranderinge in die hoeveelheid bloed wat op die gegewe oomblik in die gebruiker se pols vloei, te soek. Dit gebruik die veranderinge om die hartklop te meet en as die gebruiker stilstaan, kan die sensor individuele pulse opspoor en die klop-tot-klop-intervalle meet [3].

Voorrade

Eerstens het ons 'n broodbord, (1) groen LED, (1) fototransistor, (1) 220 Ω weerstand, (1) 15 kΩ weerstand, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, gebruik vir die bou van die stroombaan. (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kapasitor, (1) 68 nF kondensator, UA 741 op-amp en drade.

Om die stroombaan te toets, gebruik ons 'n funksiegenerator, kragtoevoer, ossilloskoop, krokodilleklemme. Ten slotte, om die sein na 'n gebruikersvriendelike UI te stuur, gebruik ons 'n skootrekenaar met Arduino-sagteware en 'n Arduino Uno.

Stap 1: Skets die skets

Ons het begin met 'n eenvoudige skema om die PPG -sein op te vang. Aangesien PPG LED gebruik, het ons eers 'n groen LED in serie met 'n 220 Ω weerstand gekoppel en dit aan 6V krag en grond gekoppel. Die volgende stap was om die PPG -sein op te vang met behulp van 'n fototransistor. Net soos die LED, plaas ons dit in serie met 'n 15 kΩ en koppel dit aan 6V krag en grond. Dit is gevolg deur 'n bandpass -filter. Die normale frekwensiebereik van 'n PPG -sein is 0,5 Hz tot 5 Hz [4]. Deur die vergelyking f = 1/RC te gebruik, het ons die weerstand- en kapasitorwaardes vir die lae- en hoogdeurlaatfilters bereken, wat lei tot 'n 1 μF -kondensator met 'n 330 kΩ -weerstand vir die hoogdeurlaatfilter en 68 nF -kondensator met 'n 10 kΩ -weerstand vir die laagdeurlaatfilter. Ons gebruik die UA 741 op -amp tussen die filters wat met 6V en -6V aangedryf is.

Stap 2: Toets die stroombaan op 'n ossilloskoop

Ons bou toe die kring op 'n broodbord. Daarna het ons die stroomuitset op die ossilloskoop getoets om te kontroleer of ons sein soos verwag is. Soos in die figuur hierbo gesien, het die stroombaan 'n sterk, stabiele sein tot gevolg gehad toe 'n vinger oor die groen LED en fototransistor geplaas is. Die seinsterkte wissel ook tussen individue. In die latere syfers is die dikrotiese kerf duidelik en dit is duidelik dat die hartklop vinniger is as die van die individu in die eerste paar figure.

Toe ons seker was dat die sein goed was, gaan ons voort met 'n Arduino Uno.

Stap 3: Koppel die broodbord aan 'n Arduino Uno

Ons het die uitset (oor die tweede kapasitor C2 in die skematiese en grond) verbind met pen A0 (soms A3) op die Arduino en die grondrail op die broodbord met 'n GND -pen op die Arduino.

Sien die prente hierbo vir die kode wat ons gebruik het. Die kode uit bylaag A is gebruik om die grafiek van die respiratoriese sein aan te toon. Die kode uit aanhangsel B is gebruik om 'n ingeboude LED op die Arduino-knipper vir elke hartklop te hê en af te druk wat die hartklop is.

Stap 4: Wenke om in gedagte te hou

In die artikel Body Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and Anticiping System het die navorser Johan Wannenburg et al. 'N wiskundige model van 'n suiwer PPG -sein [5] ontwikkel. Deur die vorm van 'n suiwer sein te vergelyk met ons sein - van 'n individuele persoon - (figure 3, 4, 5, 6), is daar weliswaar 'n paar duidelike verskille. Eerstens was ons sein agteruit, dus die dikrotiese kerf aan die linkerkant van elke piek eerder as aan die regterkant. Die sein was ook baie anders tussen elke persoon, dus soms was die dikrotiese kerf nie duidelik nie (figure 3, 4) en soms was dit (figure 5, 6). 'N Ander noemenswaardige verskil was dat ons sein nie so stabiel was as wat ons sou wou nie. Ons het besef dat dit baie sensitief was, en dat die kleinste druk van die tafel of enige draad die voorkoms van die ossilloskoop sou verander.

Vir volwassenes (ouer as 18 jaar) behoort die gemiddelde rustende hartklop tussen 60 en 100 slae per minuut te wees [6]. In figuur 8 was die hartklop van die individu wat toets, tussen hierdie twee waardes, wat aandui dat dit akkuraat blyk te wees. Ons het nie 'n kans gekry om die hartklop met 'n ander toestel te bereken en dit met ons PPG -sensor te vergelyk nie, maar dit is waarskynlik naby aan akkuraat. Daar was ook baie faktore wat ons nie kon beheer nie, wat tot die variasie in resultate gelei het. Elke keer as ons dit getoets het, was die omringende beligting anders, want ons was óf op 'n ander plek, daar was 'n skaduwee oor die toestel, soms het ons 'n manchet gebruik. As ons minder weerlig het, het die sein duideliker geword, maar dit was buite ons beheer en dit het ons resultate beïnvloed. 'N Ander kwessie is temperatuur. Die studie Investing the Effects of Temperature on Photoplethysmography deur Mussabir Khan et al., Het die navorsers bevind dat warmer handtemperature die kwaliteit en akkuraatheid van PPG verbeter [7]. Ons het eintlik opgemerk dat as een van ons koue vingers het, die sein swak sou wees en ons nie die dikrotiese kerf kon onderskei in vergelyking met 'n persoon met warmer vingers nie. Vanweë die sensitiwiteit van die toestel was dit ook moeilik om te oordeel of die toestel optimaal was om ons die beste sein te gee. As gevolg hiervan moes ons elke keer met die bord vroetel as ons die verbindings op die bord opstel en kyk voordat ons dit aan die Arduino kon koppel en kyk na die uitset wat ons wou hê. Aangesien daar soveel faktore is wat by die opstel van 'n broodbord betrokke is, kan 'n PCB dit aansienlik verminder en ons 'n meer akkurate uitset lewer. Ons het ons skema in Autodesk Eagle gebou om 'n PCB -ontwerp te skep en dit dan na AutoDesk Fusion 360 gestuur vir visuele weergawe van hoe die bord sou lyk.

Stap 5: PCB -ontwerp

Ons het die skema in AutoDesk Eagle weergegee en die bordgenerator daarvan gebruik om die PCB -ontwerp te skep. Ons het ook die ontwerp na AutoDesk Fusion 360 gestuur vir visuele weergawe van hoe die bord sou lyk.

Stap 6: Gevolgtrekking

Ten slotte het ons geleer hoe om 'n ontwerp vir 'n PPG -seinkring te ontwikkel, dit te bou en te toets. Ons was suksesvol in die bou van 'n relatief eenvoudige stroombaan om die hoeveelheid moontlike geraas in die uitset te verminder en het steeds 'n sterk sein. Ons het die stroombaan self getoets en gevind dat dit 'n bietjie sensitief is, maar met 'n paar aanpassings van die kring (fisies, nie die ontwerp nie), kon ons 'n sterk sein kry. Ons het die seinuitset gebruik om die hartklop van die gebruiker te bereken en dit en die asemhalingssein na die aangename gebruikerskoppelvlak van Arduino gestuur. Ons het ook die ingeboude LED op Arduino gebruik om vir elke hartklop te knip, wat dit vir die gebruiker duidelik maak wanneer hul hart presies klop.

PPG het baie moontlike toepassings, en die eenvoud en koste-effektiwiteit daarvan maak dit nuttig om in slim toestelle te integreer. Aangesien persoonlike gesondheidsorg die afgelope jare gewilder geword het, is dit noodsaaklik dat hierdie tegnologie eenvoudig en goedkoop is, sodat dit regoor die wêreld toeganklik is vir almal wat dit nodig het [9]. In 'n onlangse artikel is gekyk na die gebruik van PPG om na hipertensie te kyk - en hulle het gevind dat dit saam met ander BP -meetapparate [10] gebruik kan word. Miskien is daar meer wat in hierdie rigting ontdek en vernuwe kan word, en daarom moet PPG beskou word as 'n belangrike hulpmiddel in die gesondheidsorg nou en in die toekoms.

Stap 7: Verwysings

[1] A. M. García en P. R. Horche, "Ligbronoptimalisering in 'n tweefotiese aarzoeker: eksperimentele en teoretiese analise," Results in Physics, vol. 11, pp. 975–983, 2018. [2] J. Allen, "Fotoplethysmografie en die toepassing daarvan in kliniese fisiologiese meting," Fisiologiese meting, vol. 28, nee. 3, 2007.

[3] "Meet van die hart - hoe werk EKG en PPG?", Teenstrydig. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Toegang verkry: 10-Des-2019].

[4] DE NOVO -KLASSIFIKASIE -AANVRAAG OM ONREGELMATIGE RITMEKENNISGEWINGSKENMERKING..

[5] S. Bagha en L. Shaw, "'n Real -time analise van PPG -sein vir die meting van SpO2 en polsslag," International Journal of Computer Applications, vol. 36, nee. 11, Desember 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Liggaamsensornetwerk vir mobiele gesondheidsmonitering, 'n diagnose- en afwagtingstelsel. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] "Wat is 'n normale hartklop?", LiveScience. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Besoek: 10-Des-2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw en J. G. Chase, "Ondersoek die effekte van temperatuur op fotoplethysmografie," IFAC-PapersOnLine, vol. 48, nee. 20, pp. 360–365, 2015.

[9] M. Ghamari, "'n Oorsig oor draagbare fotoplethysmografiese sensors en hul moontlike toekomstige toepassings in gesondheidsorg," International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, nee. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim en R. Ward, "The use of photoplethysmography for assessing hypertension," npj Digital Medicine, vol.. 2, nee. 1, 2019.